CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỊ TRÍ CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY
3.2 Ứng dụng mô hình toán MIKE3FM mô phỏng chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy
3.2.4 Thiết lập các CSDL biên và CSDL hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
*) Vị trí và các yếu tố kiểm định thuỷ lực
Kết quả tính toán thuỷ lực từ phần mềm MIKE 3 Flow Model FM được so sánh với số liệu tính toán bằng mô hình MIKE11 trận lũ tháng 8/1996 và 8/2002 (kết quả này được kế thừa từ đề tài cấp bộ do nghiên cứu sinh tham gia thực hiện)tại các vị trí kiểm định với các yếu tố kiểm định là:
- Quá trình mực nước H~t;
- Quá trình lưu lượng Q~t;
- Kiểm định phân bố vận tốc trên mặt cắt ngang tại 1 vị trí trùng với mặt cắt khảo sát thuỷ văn tương ứng.
Tại khu vực nghiên cứu lựa chọn các mặt cắt địa hình lấy theo tài liệu khảo sát địa hình năm 2007 có đo bổ sung năm 2012. Từ toạđộ các mốc mặt cắt của các mặt cắt này, tiến hành xác định các mặt cắt tương ứng trên mô hình. Công việc này rất quan trọng, nếu xác định không đúng sẽ dẫn đến những sai lệch vị trí giữa thực đo và tính toán, ảnh
81
hưởng lớn đến kết quả kiểm định mô hình hình thái. So sánh các giá trị toạđộ mốc giữa mô hình và thực tế, cho thấy vị trí các mặt cắt kiểm định ở trên mô hình gần như trùng với mặt cắt thực đo. Kết quả xác định vị trí biên và các trạm hiệu chỉnh, kiểm định mô hình được chỉ ra trong hình vẽ sau:
Hình3.9.Sơ đồ vị trí các mặt cắt hiệu chính, kiểm định trong mô hình
Tọa độ vị trí các mặt cắt để hiệu chỉnh và kiểm định trong mô hình MIKE3 Flow Model FM được chỉ ra trong bảng sau:
Bảng 3.1. Vị trí các mặt cắt hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mặt cắt Tọa độ (X,Y) Vị trí
(m)
Chiều rộng mặt
cắt (m)
Yếu tố hiệu chỉnh và kiểm định
Ghi chú
MC1 554428.14, 2339527.58 8445 3853 H, Q Thượng lưu CĐ MC2 558259.32, 2339383.50 11015 4627 H, Q Thượng lưu
VC MC3 560728.31, 2340044.95 13615 4363 H, Q Vân Phú
MC4 562378.67, 2341066.60 17165 7242 H, Q Vân Nam
MC5 566111.62, 2339979.46 20285 5039 H, Q Vân Nam
MC6 568390.68, 2338970.91 24665 4366 H, Q Trung Châu MC7 571560.42, 2338451.89 27085 3700 H, Q Trung Châu
82
*) Thiết lập các CSDL biên và CSDL hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Các biên của mô hình được thiết lập như sau:
1. Các biên hở
- Biên vào: Thượng lưu cống Cẩm Đình khoảng 8km tại km30 đê hữu Hồng thuộc địa phận Sơn Tây(ứng với mặt cắt Shong28037 trong Mike11).
- Biên ra: Hạ lưu khu vực Hát Môn tại km 43+500 đê hữu Hồng thuộc địa phận xã Liên Hồng, Đan Phượng (ứng với mặt cắt Shong55907 trong Mike11).
- Biên lấy nước vào sông Đáy: tại cống Cẩm Đình và cống Vân Cốc(ứng với mặt cắt tại Cẩm Đình là Shong33427, Vân Cốc là Shong34777 trong Mike11).
2. Các biên cứng
Là hai phía bờ tả, hữu đoạn sông Hồng nằm trong miền tính toán của mô hình.
3. Điều kiện biên tính toán a. Biên thủy lực
- Tại vị trí biên vào phía thượng lưu là quá trình lưu lượng (Q~t);
- Tại các biên rút nước là quá trình lưu lượng Q~t(tại cống Cẩm Đình, Vân Cốc);
- Tại vị trí các biên ra phía hạ lưu là quá trình mực nước (H~t).
b. Biên bùn cát
- Tại vị trí biên vào phía thượng lưu là quá trình lưu lượng bùn cát theo thời gian (ρ~t) được trích xuất từ mô hình 1 chiều MIKE11ST;
- Thông số về đường kính hạt bùn cát lơ lửng bình quân tại các vị trí trên sông(d50).
Do trên đoạn sông nghiên cứu không bố trí trạm thủy văn nào, do đó để xác định điều kiện biên cho mô hình 3 chiều MIKE3FM, NCS sử dụng các số liệu được trích dẫn từ kết quả tính toán đã được kiểm định và hiệu chỉnh từ mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 cho toàn hệ thống sông Hồng-Thái Bình, trong đó có bổ sung đo số liệu lưu lượng
83
và bùn cát tại khu vực cửa vào cống Cẩm Đình để xác định quan hệ Q- để làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh, kiểm định mô đun bùn cát. Các số liệu này được kế thừa từ đề tài cấp bộ.
4. Thiết lập điều kiện ban đầu
Việc thiết lập điều kiện ban đầu cho mô hình là hết sức quan trọng, quyết định đến khả năng hội tụ và tính ổn định của mô hình trong quá trình tính toán. Điều kiện ban đầu được thiết lập là độ cao mực nước tại các nút lưới được nội suy tuyến tính từ thượng lưu về hạ lưu, dựa trên cơ sở kết quả tính toán mực nước của mô hình 1 chiều MIKE 11 tại các biên thượng lưu và hạ lưu ứng với từng kịch bản, phương án mô phỏng. Số liệu tính được xuất từ mô hình Mike11 được kế thừa từ đề tài NCKH cấp Bộ mà NCS tham gia chính và được chủ nhiệm đề tài cho phép.
5. Thiết lập các thông số thủy lực, tham số hình thái cơ bản Các thông số thủy lực chính của mô hình:
- Bước thời gian tính toán ∆t (s), được lựa chọn trên cơ sở kích thước ô lưới tính toán, tốc độ dòng chảy được chia sao cho số Courant (Cr) nằm dưới giới hạn cho phép và mô hình ổn định trong suốt quá trình tính toán. Việc xác định khoảng thời gian Δt được làm sơ bộ đồng thời với quá trình chạy thông mô hình. Mô hình tính toán đó lựa chọn khoảng thời gian Δt khác nhau (5s, 10s, 30s, 60s), với Δt =5s, 10s, 30s,… thì mô hình chạy không ổn định (bị ngừng do lỗi về vấn đề ổn định của mô hình, vi phạm hệ số Courant). Sau khi thử với bước thời gian Δt = 1s thì mô hình chạy ổn định nhất nên lựa chọn bước thời gian này để tính toán, với hệ số Courant – Friedrich-Lévy (CFL) ban đầu=0,8. Bước thời gian tính toán lựa chọn trong mô hình là t = 1s.
- Hệ số nhớt η, có tác dụng trong việc điều chỉnh vận tốc dòng chảy. Hệ số nhớt xoáy
= 0,25m2/s. Hệ số nhớt rối tính theo công thức Smagorinsky (Cs) có giá trị trong khoảng từ 0,25 đến 1. Với khu vực nghiên cứu chọn Cs=0,28.
- Hệ số nhám n: Hệ số nhám theo Manning (M) có xét đến sự thay đổi của nhám lòng và nhám bãi do là vùng có ngập. Hệ số nhám bãi sông là 50 (m1/3/s) nhám lòng dẫn là 43 (m1/3/s).
84
- Các thông số xét ảnh hưởng của hình dạng lòng sông được xác định từ điều kiện địa hình: Hệ số dốc theo phương mặt cắt ngang G = 1,25; Hệ số mũ của độ dốc theo phương ngang a = 0,5; Hệ số dốc theo chiều dọc sông e = 5.
- Xử lý ô lưới bị khô, ướt: Cách tiếp cận vấn đề khô ướt được dựa trên công trình của Zhao và cộng sự (1994), Sleigh và cộng sự (1998). Khi độ sâu nhỏ thì vấn đề được xử lý, chỉ khi độ sâu rất nhỏ thì các ô lưới hay các phần tử mới được loại bỏ ra khỏi tính toán. Việc xử lý khô ướt được thực hiện bằng cách cài đặt thông lượng động lượng bằng 0 và chỉ tính đến thông lượng khối. Độ sâu trong mỗi ô lưới hay phần tử đều được giám sát và các phần tử được phân loại thành khô, khô cục bộ và ướt. Tương tự các mặt của phần tử cũng được giám sát để xác định biên tràn. Mỗi mặt của phần tử được xác định là tràn nếu hai tiêu chuẩn sau được thoả mãn: thứ nhất là độ sâu tại cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu hdry và độ sâu ở các cạnh khác phải lớn hơn độ sâu hfood. Thứ hai, tổng độ sâu tĩnh của cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và độ cao bề mặt ở các cạnh khác phải lớn hơn 0. Mỗi phần tử là khô cục bộ nếu độ sâu lớn hơn hdry và nhỏ hơn hwet, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong các cạnh của phần tử là biên tràn.
Thông lượng động lượng được gán bằng 0 và chỉ các thông lượng khối được tính đến.
Mỗi phần tử là ướt nếu độ sâu lớn hơn hwet. Cả thông lượng động lượng và thông lượng khối đều được tính đến. Độ sâu ướt hwet phải lớn hơn độ sâu khô hdry và độ sâu tràn theo thứ tự: hdry<hfood<hwet. Các giá trị mặc định cho các biến này tương ứng là:
hdry =0,005m; hfood = 0,05m và hwet =0,1m.
Các thông số hình thái của mô hình:
- Thiết lập dữ liệu địa chất: Sử dụng tài liệu khảo sát địa chất khu vực nghiên cứu có các lớp đất sau:Lớp đất trồng trọt: Chiều dày lớp từ 2,0 – 0,5m; Lớp 1 - Đất đắp than đê: Phân bố ở đê Ngọc Tảo. Chiều dày lớp từ 0,5 – 0,7m; Lớp 1a - Đất đắp đường bờ thửa. Chiều dày 0,2 – 1,0m; Lớp 2: Chiều dày lớp từ 1,0 – 5,5m; Lớp 2a: Chiều dày lớp từ 0,3 – 4,0m; Lớp 4b: Chiều dày lớp từ 0,5 – 2,0m; Lớp 5: Chiều dày lớn nhất 35,3m; Lớp 7: Chiều dày thăm dò 3,8m.
85
- Các thông số xét ảnh hưởng của hình dạng lòng sông được xác định từ điều kiện địa hình:
+ Hệ số dốc theo phương mặt cắt ngang G = 1,25;
+ Hệ số mũ của độ dốc theo phương ngang a = 0,5;
+ Hệ số dốc theo chiều dọc sông e = 5.
Đường kính hạt d50 = 0,029mm lấy theo số liệu đo đạc bùn cát lơ lửng tại trạm Sơn Tây để tham khảo và sử dụng tài liệu đo đạc khảo sát lấy mẫu bùn cát tại vị trí cửa vào sông Đáy từ ngày 23/08/2012 đến ngày 01/09/2012, lấy mẫu độ đục và bùn cát để xác định d50, số lần lấy mẫu trùng với số lần đo lưu lượng vào 10h sáng. Kết quả xác định đường hạt d50 = 0,027mm tại vị trí khu vực cửa vào sông Đáy.
Lựa chọn công thức tính vận chuyển bùn cát Engelund & Hansen để tính toán tổng lượng bùn cát, sau đó phân chia bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy theo tỷ lệ:
Bùn cát tổng Stl (Total load) được tính theo công thức sau:
Trong đó: C là hệ số Chezy; d50 là đường kính hạt bùn cát trung bình, là hệ số Shields; kb=0,15 và ks =0,85.
Tỷ trọng cát: 2,69
Tính toán bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng theo công thức Englund &Hansen.
Bước thời gian tính toán vận chuyển bùn cát 10s. Thời gian chạy cho 01 kịch bản dao động từ 172 ÷ 270 giờ.